УЛЬТРАЗВУКОВАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2006 года по МПК B08B3/12 B01F11/02 

Изобретение относится к устройствам для ультразвуковой очистки и обработки суспензий в мощных акустических полях, в частности для растворения, эмульгирования, диспергирования, а также к устройствам для получения и передачи механических колебаний с использованием эффекта магнитострикции.

Известно устройство для введения ультразвуковых колебаний в жидкость (патент DE, №3815925, В 08 В 3/12, 1989) посредством ультразвукового датчика, который звукоизлучающим конусом при помощи герметично изолирующего фланца закреплен в зоне дна внутри ванны с жидкостью.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является ультразвуковая установка типа УЗВД-6 (А.В.Донской, O.K.Келлер, Г.С.Кратыш "Ультразвуковые электротехнологические установки", Ленинград: Энергоиздат, 1982, с.169), содержащая стержневой ультразвуковой преобразователь, рабочую камеру, выполненную в виде металлической цилиндрической трубы, и акустический волновод, излучающий конец которого герметично присоединен к нижней части цилиндрической трубы посредством эластичного уплотнительного кольца, а приемный торец этого волновода акустически жестко соединен с излучающей поверхностью стержневого ультразвукового преобразователя.

Недостаток выявленных известных ультразвуковых установок состоит в том, что рабочая камера имеет единственный источник ультразвуковых колебаний, которые передаются в нее от магнитострикционного преобразователя через торец волновода, механические свойства и акустические параметры которого определяют максимально допустимую интенсивность излучения. Зачастую получаемая интенсивность излучения ультразвуковых колебаний не может удовлетворить требованиям технологического процесса в отношении качества конечного продукта, что заставляет продлевать время обработки жидкой среды ультразвуком и приводит к снижению интенсивности технологического процесса.

Таким образом, выявленные в процессе патентного поиска ультразвуковые установки, аналог и прототип заявленного изобретения при осуществлении не обеспечивают достижение технического результата, заключающегося в повышении интенсификации технологического процесса без снижения качества конечного продукта.

Предлагаемое изобретение решает задачу создания ультразвуковой установки, осуществление которой обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении интенсификации технологического процесса без снижения качества конечного продукта.

Сущность изобретения заключается в том, что в ультразвуковую установку, содержащую стержневой ультразвуковой преобразователь, рабочую камеру, выполненную в виде металлической цилиндрической трубы, и акустический волновод, излучающий конец которого герметично присоединен к нижней части цилиндрической трубы посредством эластичного уплотнительного кольца, а приемный торец этого волновода акустически жестко соединен с излучающей поверхностью стержневого ультразвукового преобразователя, дополнительно введен кольцевой магнитострикционный излучатель, магнитопровод которого акустически жестко напрессован на трубу рабочей камеры. Кроме того, эластичное уплотнительное кольцо закреплено на излучающем конце волновода в зоне узла смещений. При этом нижний торец магнитопровода кольцевого излучателя расположен в одной плоскости с излучающим концом акустического волновода. Причем поверхность излучающего торца акустического волновода выполнена вогнутой, сферической, с радиусом сферы, равным половине длины магнитопровода кольцевого магнитострикционного излучателя.

Технический результат достигается следующим образом. Стержневой ультразвуковой преобразователь является источником ультразвуковых колебаний, обеспечивающих необходимые параметры акустического поля в рабочей камере установки для выполнения технологического процесса, что обеспечивает интенсификацию и качество конечного продукта. Акустический волновод, излучающий конец которого герметично присоединен к нижней части цилиндрической трубы, а приемный торец этого волновода акустически жестко соединен с излучающей поверхностью стержневого ультразвукового преобразователя, обеспечивает передачу ультразвуковых колебаний в обрабатываемую жидкую среду рабочей камеры. При этом герметичность и подвижность соединения обеспечивается благодаря тому, что у волновода излучающий конец присоединен к нижней части трубы рабочей камеры посредством эластичного уплотнительного кольца. Подвижность соединения обеспечивает возможность передачи механических колебаний от преобразователя через волновод в рабочую камеру, в жидкую обрабатываемую среду, возможность выполнения технологического процесса, а следовательно, получения требуемого технического результата.

Кроме того, в заявленной установке эластичное уплотнительное кольцо закреплено на излучающем конце волновода в зоне узла смещений в отличие от прототипа, в котором оно установлено в зоне пучности смещений. В результате в установке по прототипу уплотнительное кольцо демпфирует колебания и снижает добротность колебательной системы, а следовательно, снижает интенсивность технологического процесса. В заявленной установке уплотнительное кольцо установлено в зоне узла смещений, поэтому оно не оказывает влияния на колебательную систему. Это позволяет пропустить через волновод больше мощности по сравнению с прототипом и тем самым повысить интенсивность излучения, следовательно, интенсифицировать технологический процесс без снижения качества конечного продукта. Кроме того, поскольку в заявленной установке уплотнительное кольцо установлено в зоне узла, т.е. в зоне нулевых деформаций, оно не разрушается от колебаний, сохраняет подвижность соединения излучающего конца волновода с нижней частью трубы рабочей камеры, что позволяет сохранить интенсивность излучения. В прототипе уплотнительное кольцо установлено в зоне максимальных деформаций волновода. Поэтому кольцо постепенно разрушается от колебаний, что постепенно снижает интенсивность излучения, а затем нарушает герметичность соединения и нарушает работоспособность установки.

Использование кольцевого магнитострикционного излучателя позволяет реализовать большую мощность преобразования и значительную площадь излучения (А.В.Донской, O.K.Келлер, Г.С.Кратыш "Ультразвуковые электротехнологические установки", Ленинград: Энергоиздат, 1982, с.34), а следовательно, позволяет обеспечить интенсификацию технологического процесса без снижения качества конечного продукта.

Поскольку труба выполнена цилиндрической, а введенный в установку магнитострикционный излучатель выполнен кольцевым, обеспечивается возможность напрессовки магнитопровода на наружную поверхность трубы. При подаче напряжения питания на обмотку магнитпровода в пластинах возникает магнитострикционный эффект, который приводит к деформации кольцевых пластин магнитопровода в радиальном направлении. При этом благодаря тому, что труба выполнена металлической, а магнитопровод акустически жестко напрессован на трубу, деформация кольцевых пластин магнитопровода трансформируется в радиальные колебания стенки трубы. В результате электрические колебания возбуждающего генератора кольцевого магнитострикционного излучателя преобразуются в радиальные механические колебания магнитострикционных пластин, а благодаря акустически жесткому соединению плоскости излучения магнитопровода с поверхностью трубы механические колебания передаются через стенки трубы в обрабатываемую жидкую среду. При этом источником акустических колебаний в обрабатываемой жидкой среде является внутренняя стенка цилиндрической трубы рабочей камеры. В результате в заявленной установке в обрабатываемой жидкой среде формируется акустическое поле со второй резонансной частотой. При этом введение в заявленной установке кольцевого магнитострикционного излучателя увеличивает по сравнению с прототипом площадь излучающей поверхности: излучающая поверхность волновода и часть внутренней стенки рабочей камеры, на наружную поверхность которой напрессован кольцевой магнитострикционный излучатель. Увеличение площади излучающей поверхности повышает интенсивность акустического поля в рабочей камере и, следовательно, обеспечивает возможность интенсификации технологического процесса без снижения качества конечного продукта.

Расположение нижнего торца магнитопровода кольцевого излучателя в одной плоскости с излучающим концом акустического волновода является оптимальным вариантом, так как размещение его ниже излучающего конца волновода приводит к образованию мертвой (застойной) зоны для кольцевого преобразователя (кольцевой излучатель - труба). Размещение нижнего торца магнитопровода кольцевого излучателя выше излучающего конца волновода снижает КПД кольцевого преобразователя. Оба варианта приводят к снижению интенсивности воздействия суммарного акустического поля на обрабатываемую жидкую среду, а следовательно, к снижению интенсификации технологического процесса.

Поскольку излучающей поверхностью у кольцевого магнитострикционного излучателя является цилиндрическая стенка, то происходит фокусировка звуковой энергии, т.е. создается концентрация акустического поля по осевой линии трубы, на которую напрессован магнитопровод излучателя. Так как у стержневого ультразвукового преобразователя излучающая поверхность выполнена в виде вогнутой сферы, то эта излучающая поверхность также фокусирует звуковую энергию, но вблизи точки, которая лежит на осевой линии трубы. Таким образом, при различных фокусных расстояниях фокусы обеих излучающих поверхностей совпадают, концентрируя мощную акустическую энергию в малом объеме рабочей камеры. Поскольку нижний торец магнитопровода кольцевого излучателя расположен в одной плоскости с излучающим концом акустического волновода, у которого вогнутая сфера выпонена радиусом, равным половине длины магнитопровода кольцевого магнитострикционного излучателя, точка фокусирования акустической энергии лежит на середине осевой линии трубы, т.е. в центре рабочей камеры установки концентрируется мощная акустическая энергия в малом объеме ("Ультразвук. Маленькая энциклопедия", главный ред. И.П.Голянина, М.: Советская энциклопедия, 1979, с.367-370). В области фокусировки акустических энергий обеих излучающих поверхностей интенсивность воздействия акустического поля на обрабатываемую жидкую среду в сотни раз выше, чем в других областях камеры. Создается локальный объем с мощной интенсивностью воздействия полем. За счет локальной мощной интенсивности воздействия разрушаются даже труднообрабатываемые материалы. Кроме того, в этом случае от стенок отводится мощный ультразвук, что предохраняет стенки камеры от разрушения и загрязнения обрабатываемого материала продуктом разрушения стенок. Таким образом, выполнение поверхности излучающего торца акустического волновода вогнутой, сферической, с радиусом сферы, равным половине длины магнитопровода кольцевого магнитострикционного излучателя, повышает интенсивность воздействия акустическим полем на обрабатываемую жидкую среду, а следовательно, обеспечивает интенсификацию технологического процесса без снижения качества конечного продукта.

Как было показано выше, в заявленной установке в обрабатываемой жидкой среде формируется акустическое поле с двумя резонансными частотами. Первая резонансная частота определяется резонансной частотой стержневого магнитострикционного преобразователя, вторая - резонансной частотой кольцевого магнитострикционного излучателя, напрессованного на трубу рабочей камеры. Резонансная частота кольцевого магнитострикционного излучателя определяется из выражения lcp=λ=с/fрез, где lcp - длина средней линии магнитопровода излучателя, λ - длина волны в материале магнитопровода, с - скорость упругих колебаний в материале магнитопровода, fрез - резонансная частота излучателя (А.В.Донской, O.K.Келлер, Г.С.Кратыш "Ультразвуковые электротехнологические установки", Ленинград: Энергоиздат, 1982, с.25). Иначе говоря, вторая резонансная частота установки определяется длиной средней линии кольцевого магнитопровода, которая в свою очередь обусловлена наружным диаметром трубы рабочей камеры: чем длиннее средняя линия магнитопровода, тем ниже вторая резонансная частота установки.

Наличие двух резонансных частот в заявленной установке позволяет интенсифицировать технологический процесс без снижения качества конечного продукта. Это объясняется следующим.

При воздействии акустического поля в обрабатываемой жидкой среде возникают акустические течения - стационарные вихревые потоки жидкости, возникающие в свободном неоднородном звуковом поле. В заявленной установке в обрабатываемой жидкой среде формируются два вида акустических волн, каждая со своей резонансной частотой: цилиндрическая волна распространяется радиально от внутренней поверхности трубы (рабочей камеры), и плоская волна распространяется вдоль рабочей камеры снизу вверх. Наличие двух резонансных частот усиливает воздействие на обрабатываемую жидкую среду акустических течений, так как на каждой резонансной частоте образуются свои акустические течения, которые интенсивно перемешивают жидкость. Это также приводит к возрастанию турбулентности акустических течений и к еще более интенсивному перемешиванию обрабатываемой жидкости, что повышает интенсивность воздействия акустического поля на обрабатываемую жидкую среду. В результате интенсифицируется технологический процесс без снижения качества конечного продукта.

Кроме того, под воздействием акустического поля в обрабатываемой жидкой среде возникает кавитация - образование разрывов жидкой среды там, где происходит местное понижение давления. В результате кавитации образуются парогазовые кавитационные пузырьки. Если акустическое поле слабое, пузырьки резонируют, пульсируют в поле. Если акустическое поле сильное, пузырек через период звуковой волны (идеальный случай) захлопывается, так как попадает в область высокого давления, создаваемого этим полем. Захлопываясь, пузырьки порождают сильные гидродинамические возмущения в жидкой среде, интенсивное излучение акустических волн и вызывают разрушение поверхностей твердых тел, граничащих с кавитирующей жидкостью. В заявленной установке акустическое поле мощнее по сравнению с акустическим полем установки по прототипу, что объясняется наличием в нем двух резонансных частот. В результате в заявленной установке вероятность захлопывания кавитационных пузырьков выше, что усиливает кавитационные эффекты и повышает интенсивность воздействия акустическим полем на обрабатываемую жидкую среду, а следовательно, обеспечивает интенсификацию технологического процесса без снижения качества конечного продукта.

Чем ниже резонансная частота акустического поля, тем крупнее пузырек, так как период у низкой частоты большой и пузырьки успевают вырасти. Жизнь пузырька при кавитации - один период частоты. Захлопываясь, пузырек создает мощное давление. Чем больше пузырек, тем более высокое давлении создается при его захлопывании. В заявленной ультразвуковой установке благодаря двухчастотному озвучиванию обрабатываемой жидкости кавитационные пузырьки отличаются по размерам: более крупные являются следствием воздействия на жидкую среду низкой частоты, а мелкие - высокой частоты. При очистке поверхностей или при обработке суспензии мелкие пузырьки проникают в трещины и полости твердых частиц и, захлопываясь, формируют микроударные воздействия, ослабляя целостность твердой частицы изнутри. Пузырьки большего размера, захлопываясь, провоцируют образование новых микротрещин в твердых частицах, еще более ослабляя в них механические связи. Твердые частицы разрушаются.

При эмульгировании, растворении и смешивании большие пузырьки разрушают межмолекулярные связи у составляющих будущей смеси, укорачивая цепочки, и формируют для маленьких пузырьков условия для дальнейшего разрушения межмолекулярных связей. В результате повышается интенсификация технологического процесса без снижения качества конечного продукта.

Кроме того, в заявленной установке в результате взаимодействия акустических волн с разными резонансными частотами в обрабатываемой жидкой среде возникают биения, обусловленные наложением двух частот (принцип суперпозиций), которые вызывают резкое мгновенное возрастание амплитуды акустического давления. В такие моменты мощность удара акустической волны может в несколько раз превысить удельную мощность установки, что интенсифицирует технологический процесс и не только не снижает, а улучшает качество конечного продукта. Кроме того, резкое возрастание амплитуды акустического давления облегчает подвод кавитационных зародышей в зону кавитации; кавитация возрастает. Кавитационные пузырьки, формируясь в порах, неровностях, трещинах поверхности твердого тела, находящегося в суспензии, образуют локальные акустические течения, которые интенсивно перемешивают жидкость во всех микрообъемах, что также позволяет интенсифицировать технологический процесс без снижения качества конечного продукта.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что заявленная ультразвуковая установка, за счет возможности формирования в обрабатываемой жидкой среде двухчастотного акустического поля, при осуществлении обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении интенсификации технологического процесса без снижения качества конечного продукта: результатов очистки поверхностей, диспергации твердых составляющих в жидкости, процесса эмульгации, перемешивания и растворения составляющих жидкой среды.

На чертеже изображена заявленная ультразвуковая установка. Ультразвуковая установка содержит ультразвуковой стержневой магнитострикционный преобразователь 1 с излучающей поверхностью 2, акустический волновод 3, рабочую камеру 4, магнитопровод 5 кольцевого магнитострикционного излучателя 6, эластичное уплотнительное кольцо 7, шпильку 8. В магнитопроводе 5 предусмотрены отверстия 9 для выполнения обмотки возбуждения (не показана). Рабочая камера 4 выполнена в виде металлической, например стальной, цилиндрической трубы. В примере выполнения установки волновод 3 выполнен в форме усеченного конуса, у которого излучающий конец 10 посредством эластичного уплотнительного кольца 7 герметично присоединен к нижней части трубы рабочей камеры 4, а приемный торец 11 по осевой соединен шпилькой 8 с излучающей поверхностью 2 преобразователя 1. Магнитопровод 5 выполнен в виде пакета магнитострикционных пластин, имеющих форму колец, и акустически жестко напрессован на трубу рабочей камеры 4; кроме того, магнитопровод 5 снабжен обмоткой возбуждения (не показана).

Эластичное уплотнительное кольцо 7 закреплено на излучающем конце 10 волновода 3 в зоне узла смещений. При этом нижний торец магнитопровода 5 кольцевого излучателя 6 расположен в одной плоскости с излучающим концом 10 акустического волновода 3. Причем поверхность излучающего торца 10 акустического волновода 3 выполнена вогнутой, сферической, с радиусом сферы, равным половине длины магнитопровода 5 кольцевого магнитострикционного излучателя 6.

В качестве стержневого ультразвукового преобразователя может быть использован, например, ультразвуковой магнитострикционный преобразователь типа ПМС-15А-18 (БТ3.836.001 ТУ) или ПМС-15-22 9СЮИТ.671.119.003 ТУ). Если технологический процесс требует более высоких частот: 44 кГц, 66 кГц и т.д., то стержневой преобразователь выполняют на базе пьезокерамики.

Магнитопровод 5 может быть выполнен из материала с отрицательной стрикцией, например из никеля.

Ультразвуковая установка работает следующим образом. Подают напряжения питания на обмотки возбуждения преобразователя 1 и кольцевого магнитострикционного излучателя 6. Рабочую камеру 4 заполняют обрабатываемой жидкой средой 12, например, для выполнения растворения, эмульгирования, диспергирования или заполняют жидкой средой, в которую помещают детали для очистки поверхностей. После подачи напряжения питания в рабочей камере 4 в жидкой среде 12 формируется акустическое поле с двумя резонансными частотами.

Под воздействием формируемого двухчастотного акустического поля в обрабатываемой среде 12 возникают акустические течения и кавитация. При этом, как было показано выше, кавитационные пузырьки отличаются по размерам: более крупные являются следствием воздействия на жидкую среду низкой частоты, а мелкие - высокой частоты.

В кавитирующей жидкой среде, например, при диспергировании или очистке поверхностей мелкие пузырьки проникают в трещины и полости твердой составляющей смеси и, захлопываясь, формируют микроударные воздействия, ослабляя целостность твердой частицы изнутри. Пузырьки большего размера, захлопываясь, разбивают ослабленную изнутри частицу на мелкие фракции.

Кроме того, в результате взаимодействия акустических волн с разными резонансными частотами возникают биения, приводящие к резкому мгновенному возрастанию амплитуды акустического давления (к акустическому удару), что приводит к еще более интенсивному разрушению наслоений на очищаемой поверхности и к еще большему измельчению твердых фракций в обрабатываемой жидкой среде при получении суспензии. Одновременно, наличие двух резонансных частот усиливает турбулентность акустических течений, что способствует более интенсивному перемешиванию обрабатываемой жидкой среды и более интенсивному разрушению твердых частиц как на поверхности детали, так и в суспензии.

При эмульгировании и растворении большие кавитационные пузырьки разрушают межмолекулярные связи у составляющих будущей смеси, укорачивая цепочки, и формируют для маленьких кавитационных пузырьков условия для дальнейшего разрушения межмолекулярных связей. Ударная акустическая волна и повышенная турбулентность акустических течений, являющиеся результатами двухчастотного озвучивания обрабатываемой жидкой среды, также разрушают межмолекулярные связи и интенсифицируют процесс перемешивания среды.

В результате совместного воздействия перечисленных выше факторов на обрабатываемую жидкую среду выполняемый технологический процесс интенсифицируется без снижения качества конечного продукта. Как показали испытания, по сравнения с прототипом удельная мощность заявленного преобразователя в два раза выше.

Для усиления кавитационного воздействия в установке может быть предусмотрено повышенное статическое давление, которое может быть реализовано аналогично прототипу (А.В.Донской, O.K.Келлер, Г.С.Кратыш "Ультразвуковые электротехнологические установки", Ленинград: Энергоиздат, 1982, с.169): система трубопроводов, связанных с внутренним объемом рабочей камеры; баллон со сжатым воздухом; предохранительный клапан и манометр. При этом рабочая камера должна быть снабжена герметичной крышкой.

Изобретение относится к устройствам для ультразвуковой очистки и обработки суспензий в мощных акустических полях, в частности для растворения, эмульгирования, диспергирования, а также к устройствам для получения и передачи механических колебаний с использованием эффекта магнитострикции. Установка содержит ультразвуковой стержневой магнитострикционный преобразователь, рабочую камеру, выполненную в виде металлической цилиндрической трубы, и акустический волновод, излучающий конец которого герметично присоединен к нижней части цилиндрической трубы посредством эластичного уплотнительного кольца, а приемный торец этого волновода акустически жестко соединен с излучающей поверхностью стержневого ультразвукового преобразователя. В установку дополнительно введен кольцевой магнитострикционный излучатель, магнитопровод которого акустически жестко напрессован на трубу рабочей камеры. Ультразвуковая установка формирует в обрабатываемой жидкой среде двухчастотное акустическое поле, что обеспечивает повышение интенсификации технологического процесса без снижения качества конечного продукта. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Ультразвуковая установка, содержащая стержневой ультразвуковой преобразователь, рабочую камеру, выполненную в виде металлической цилиндрической трубы, и акустический волновод, излучающий конец которого герметично присоединен к нижней части цилиндрической трубы посредством эластичного уплотнительного кольца, а приемный торец этого волновода акустически жестко соединен с излучающей поверхностью стержневого ультразвукового преобразователя, отличающаяся тем, что в установку дополнительно введен кольцевой магнитострикционный излучатель, магнитопровод которого акустически жестко напрессован на трубу рабочей камеры.2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что эластичное уплотнительное кольцо закреплено на излучающем конце волновода в зоне узла смещений.3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что нижний торец магнитопровода кольцевого излучателя расположен в одной плоскости с излучающим концом акустического волновода.4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что поверхность излучающего торца акустического волновода выполнена вогнутой, сферической, с радиусом сферы, равным половине длины магнитопровода кольцевого магнитострикционного излучателя.